WO2013154097A1 - 水中電力供給システム - Google Patents

Abstract

この水中電力供給システムは、水中移動体（１０）が稼動する水深と水面（２）付近との間で水中を昇降する昇降ステーション（２０）と、水面（２）付近で昇降ステーション（２０）に電力を非接触給電する充電ステーション（３０）とを備える。前記水深において水中移動体（１０）が昇降ステーション（２０）に接近し、昇降ステーション（２０）から水中移動体（１０）に電力を非接触給電する。

Description

水中電力供給システム

　本発明は、水中移動体に水中で電力を供給する水中電力供給システムに関する。
　本願は、２０１２年４月１１日に日本に出願された特願２０１２－９００９３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　「水中移動体」とは、水中を航行する水中航走体、水中で使用する水中ロボット、海底を探査する水中探査ロボットなどを意味する。
　このような水中移動体は、動力源として蓄電池（２次電池）を通常備え、水中を航行或いは移動し、種々の作業（ミッション）を実施する。

　従来、水中で電力を給電する手段として、例えば特許文献１及び２に示す手段が開示されている。
　特許文献１は、海中設備などに装備した２次電池に電磁誘導手段により非接触的に給電する給電装置（例えば水中走行ロボット）を開示している。
　特許文献２は、例えば海中を移動する海洋ロボットがトランスミッタを有し、海底に打ち込んだ海底施設（例えば杭）がレシーバを有し、トランスミッタとレシーバ間で非接触給電と双方向通信を行うシステムを開示している。

日本国特開２００４－１６６４５９号公報 日本国特表２０１０－５２３０３０号公報

　水中航走体、水中ロボット、水中探査ロボットなどの水中移動体は、水中でのミッション（ソナーを使った海底探査など）を行うために、水底付近で稼動する場合が多い。
　一方、水中移動体に搭載される蓄電池（２次電池）は、通常小型であり容量が小さいので、使用可能時間が短く、頻繁に充電する必要がある。

　特許文献１の実施形態のように、海上から電源ケーブルを介して給電装置（例えば水中走行ロボット）に電力を供給する場合、すなわち、水中に給電ステーションを設ける場合には、海水の浸透を防ぎ、岩や漂流物に耐える被覆を有する太い電源ケーブルを陸上もしくは海上から敷設する必要がある。この場合、電源ケーブルの重量を支持するために大規模な設備が必要となる。このような設備の設置には費用がかかり、設置に伴う自然環境への影響も大きい。

　特許文献２のように、海洋ロボットが蓄電池の充電のために水面付近まで上下動する場合、海洋ロボット自体のミッションに使える時間が短くなり運用効率が低下する。

　本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、１又は複数の水中移動体が深い水中で稼動する場合に、水中移動体が水面付近まで浮上することなく水中移動体に水中で電力を供給することができる水中電力供給システムを提供することにある。

　本発明は、１又は複数の水中移動体に水中で電力を供給する水中電力供給システムであって、水中移動体が稼動する水深と水面付近との間で水中を昇降する昇降ステーションと、前記水面付近で前記昇降ステーションに電力を非接触給電する充電ステーションとを備え、前記水深において水中移動体が昇降ステーションに接近し、昇降ステーションから水中移動体に電力を非接触給電する、水中電力供給システムを提供する。

　本発明によれば、昇降ステーションが、水中移動体が稼動する水深と水面付近との間で水中を昇降し、前記水深において水中移動体が昇降ステーションに接近し、昇降ステーションから水中移動体に電力を非接触給電する。そのため、１又は複数の水中移動体は、水中移動体が稼動する水深（例えば水底付近）のみを移動し、水面付近まで浮上することなくミッションと充電のみを繰り返せばよい。従って、水中移動体の稼働率が向上する。

本発明の全体構成を示す図である。 本発明の第１実施形態を示す図である。 本発明の第２実施形態を示す図である。

　以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

　図１は、本発明の全体構成を示す図である。この図において、本発明は、１又は複数の水中移動体１０に水中で電力を供給する水中電力供給システムであり、昇降ステーション２０と充電ステーション３０とを備える。

　水中移動体１０は、例えば水中航走体、水中ロボット、水中探査ロボットである。

　昇降ステーション２０は、水中移動体１０が稼動する水深（例えば水底１）と、水面２付近との間で水中を昇降し、前記水深において水中移動体１０に水中で電力を非接触給電する。

　また昇降ステーション２０は、水中を昇降する昇降手段４０を有する。

　この例で昇降手段４０は、水底１に位置するアンカ４１と、アンカ４１と充電ステーション３０を連結し鉛直方向に延びる案内ケーブル４２と、昇降ステーション２０の本体２１を水中で昇降させる昇降装置４４とを有する。
　アンカ４１は、水底１に固定しても、水底１上に単に静置してもよい。
　この例で、昇降装置４４は、昇降ステーション２０の本体２１を吊下げて巻き上げ、巻き戻しする昇降用ウインチ４５である。

　この構成により、アンカ４１に対して充電ステーション３０の水平位置が波浪や潮流により変化した場合でも、昇降ステーション２０の本体２１を水中で昇降させるだけで、昇降ステーション２０を、水底１に位置するアンカ４１の近傍における所望の位置に配置することができる。

　なお、昇降装置４４は、この例に限定されず、例えば浮上用空気タンクと、浮上用空気タンク内に水を供給するポンプであってもよい。
　また、アンカ４１と案内ケーブル４２を省略し、昇降ステーション２０に推進手段（例えばスクリュウと水中翼、水噴射装置）を設け、昇降ステーション２０を、予め設定した位置まで推進してもよい。
　またこの場合、水底１に、予め設定した位置を示す信号を出力する信号発信器を固定し、この信号を受信して昇降ステーション２０の推進手段を制御するとよい。

　充電ステーション３０は、水面２付近で昇降ステーション２０に電力を非接触給電する。充電ステーション３０は、陸上ないし水上（海上）に設置され、外部電源３１に接続され、外部電源３１から電力を受電する。
　外部電源３１は、例えば商用電源、太陽発電設備、風力発電設備である。

　図２は、本発明の第１実施形態を示す図である。

　この図において、水中移動体１０は、第１蓄電池１２と、第１受電コイル１３と、第１受電コイル１３から第１蓄電池１２に電力を供給する第１受電回路１４と、水中を移動する移動手段（図示せず）とを有する。
　第１蓄電池１２は、リチウムイオン電池、あるいは鉛蓄電池等の二次電池である。
　また水中移動体１０の移動手段は、例えばスクリュウと水中翼、水噴射装置、車輪、クローラ、歩行脚、などである。

　水中移動体１０の本体１１は、水中移動体１０が稼動する水深における水圧に耐える耐圧容器である。また、第１受電コイル１３は、水中移動体１０が稼動する水深における水圧に耐える耐水性と耐圧力性を有し、かつ非接触給電に使われる電磁界を透過させる材質で構成した磁界透過部材１５の内側に設けられている。磁界透過部材１５は、例えばＦＲＰからなる。

　充電ステーション３０は、第１給電コイル３６と、外部電源３１に接続され非接触給電に適した電圧電流波形で第１給電コイル３６を駆動する第１給電回路３７とを有する。

　充電ステーション３０の本体は、水面２付近に位置する船体、浮遊体、又は陸上から水上に張り出して固定された桟橋などである。
　また、充電ステーション３０の第１給電コイル３６は、充電ステーション３０の位置する水圧に耐える耐水性と耐圧力性を有し、かつ非接触給電に使われる電磁界を透過させる材質で構成した磁界透過部材３５の内側に設けられている。磁界透過部材３５は、例えばＦＲＰからなる。

　昇降ステーション２０は、第２蓄電池２２と、第２受電コイル２３と、第２給電コイル２６と、受電給電回路２８とを有する。
　第２蓄電池２２は、リチウムイオン電池、あるいは鉛蓄電池等の二次電池である。
　受電給電回路２８は、第２受電コイル２３から第２蓄電池２２に電力を供給し、かつ第２蓄電池２２に接続され非接触給電に適した電圧電流波形で第２給電コイル２６を駆動する。

　昇降ステーション２０の本体２１は、水中移動体１０が稼動する水深における水圧に耐える耐圧容器である。また、第２受電コイル２３と第２給電コイル２６は、水中移動体１０が稼動する水深における水圧に耐える耐水性と耐圧力性を有し、かつ非接触給電に使われる電磁界を透過させる材質で構成した磁界透過部材２５の内側に設けられている。磁界透過部材２５は、例えばＦＲＰからなる。

　図２において、昇降ステーション２０は、第２給電コイル２６の位置を示す信号を出力する信号発信器２９を備える。
　この信号は、例えば音響信号であるが、光信号であってもよい。
　またこの例で、水中移動体１０は、昇降ステーション２０に対する所定の受電位置に水中移動体１０を移動させる移動制御装置１９を備える。移動制御装置１９は、信号発信器２９の信号を受信して、移動手段を制御し、第１受電コイル１３を第２給電コイル２６との間で電磁気結合回路を形成するように予め設定された距離で、第２給電コイル２６に対し対向させる。

　図３は、本発明の第２実施形態を示す図である。
　この例において、受電給電回路２８は、第２受電コイル２３から第２蓄電池２２に電力を供給する第２受電回路２４と、第２蓄電池２２に接続され非接触給電に適した電圧電流波形で第２給電コイル２６を駆動する第２給電回路２７とからなる。
　その他の構成は、第１実施形態と同様である。

　図２及び図３において、水中移動体１０の第１受電コイル１３は、上述した第２給電コイル２６から非接触給電を受ける誘導コイルであり、水中移動体１０の一方の側面に、昇降ステーション２０に対し所定の受電位置（上記）をとった際に昇降ステーション２０と正対する高さ（位置）に設けられている。このような第１受電コイル１３は、第２給電コイル２６が発生する交流磁界に基づく電磁誘導によって交流電力を非接触で受電して第１受電回路１４に出力する。第１受電回路１４は、第１受電コイル１３から入力される交流電力を直流電力に変換する電力変換回路であり、変換した直流電力を第１蓄電池１２に供給し充電する。

　昇降ステーション２０の受電給電回路２８（及び第２受電回路２４と第２給電回路２７）は、第２受電コイル２３から第２蓄電池２２への充電と第２蓄電池２２から第２給電コイル２６への電力供給（放電）を規制する電力調整回路である。
　この受電給電回路２８（及び第２受電回路２４と第２給電回路２７）は、例えば第２受電コイル２３から供給された直流電力を一定電流に調整しつつ充電電力として第２蓄電池２２に出力すると共に、第２蓄電池２２から供給された直流電力（放電電力）の上限値を規制しつつ第２給電コイル２６に出力する。
　第２蓄電池２２は、第２受電コイル２３から供給された直流電力を充電する一方、蓄電電力（直流電力）を放電して第２給電コイル２６に供給する。

　充電ステーション３０の第１給電回路３７は、外部電源３１から供給された交流電力ないし直流電力を非接触給電に適した電圧電流波形の交流に変換して第１給電コイル３６に出力する。第１給電コイル３６は、第１給電回路３７から供給された交流電力に基づいて誘導磁界を発生し、この誘導磁界を介して昇降ステーション２０に交流電力を給電する。また、この第１給電コイル３６は、図示するように、充電ステーション３０の本体の側面に、第２受電コイル２３と対向するよう設けられている。

　上述した水中電力供給システムは、例えば以下のように運用する。
　（１）昇降ステーション２０は、水面２付近まで浮上し、充電ステーション３０から非接触給電により内部の第２蓄電池２２に充電後、水中移動体１０が稼動する水深（例えば水底１付近）まで下降する。
　（２）水中移動体１０は、昇降ステーション２０が下降したら昇降ステーション２０に接近して昇降ステーション２０から非接触給電により内部の第１蓄電池１２に充電し、充電後、所定のミッションを実行する。
　（３）昇降ステーション２０は、内部の第２蓄電池２２が放電したら上昇する。

　（１）～（３）を繰り返すことにより、水中移動体１０は、水中移動体１０が稼動する水深（例えば水底１付近）のみを移動する。そのため、水中移動体１０は、水面２付近まで浮上することなくミッションと充電のみを繰り返せばよい。従って、水中移動体１０の稼働率が向上する。

　複数の水中移動体１０がある場合、以下の２通りの運用が可能である。
　（１）複数の水中移動体１０が順番に昇降ステーション２０に接近し、昇降ステーション２０から順番に充電される。
　（２）昇降ステーション２０に複数の第２給電コイル２６を設け、複数の水中移動体１０が昇降ステーション２０に接近し、複数の第２給電コイル２６から非接触給電により内部の第１蓄電池１２に充電する。
　上記（２）に記載した運用において、第２実施形態の場合であれば、第２給電コイル２６と同じ数の第２給電回路２７を設け、１台の第２給電コイル２６に対しそれぞれ１台の第２給電回路２７から電力を供給することが望ましい。

　上述した実施形態において、第１受電コイル１３と第２給電コイル２６及び第２受電コイル２３と第1給電コイル３６はそれぞれ水中移動体１０、昇降ステーション２０、充電ステーション３０の側面に設けられているが、受電コイルと給電コイルの間で非接触給電に適した電磁気結合回路が形成される位置であれば側面以外に設けてもよい。
　例えば、第1受電コイル１３を水中移動体１０の上面に設け第２給電コイル２６を昇降ステーション２０の下面に設けてもよい。この場合、水中移動体１０は昇降ステーション２０の下方に接近して、昇降ステーション２０から非接触給電により内部の第１蓄電池１２に充電する。
　また、例えば、第２受電コイル２３を昇降ステーション２０の上面に設け第１給電コイル３６を充電ステーション３０の下面に設けてもよい。この場合、昇降ステーション２０の浮上時に昇降ステーション２０が充電ステーション３０の下方に位置するように、充電ステーション３０ないし昇降手段４０を適切な形状・形態とする。
　なお、以上の例において、磁界透過部材１５、２５，３５の内側に給電コイルないし受電コイルが位置するよう、磁界透過部材１５，２５，３５の配置も変更する。

　上述した本発明の構成によれば、昇降ステーション２０が、水中移動体１０が稼動する水深と水面２付近との間で水中を昇降し、前記水深において水中移動体１０が昇降ステーション２０に接近し、昇降ステーション２０から水中移動体１０に電力を非接触給電するので、１又は複数の水中移動体１０は、水中移動体１０が稼動する水深（例えば水底１付近）のみを移動する。そのため、水中移動体１０は、水面２付近まで浮上することなくミッションと充電のみを繰り返せばよい。従って、水中移動体１０の稼働率が向上する。

　なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。すなわち、本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。

　本発明の水中電力供給システムによれば、水中移動体が水面付近まで浮上することなく水中移動体に水中で電力を供給することができるため、水中移動体の稼働率が向上する。

１　水底、２　水面、１０　水中移動体（水中航走体、水中ロボット、水中探査ロボット）、１１　本体、１２　第１蓄電池、１３　第１受電コイル、１４　第１受電回路、１５　磁界透過部材、１９　移動制御装置、２０　昇降ステーション、２１　本体、２２　第２蓄電池、２３　第２受電コイル、２４　第２受電回路、２５　磁界透過部材、２６　第２給電コイル、２７　第２給電回路、２８　受電給電回路、２９　信号発信器、３０　充電ステーション、３１　外部電源、
３５　磁界透過部材、３６　第１給電コイル、３７　第１給電回路、４０　昇降手段、４１　アンカ、４２　案内ケーブル、４４　昇降装置、４５　昇降用ウインチ

Claims (5)

1. 　１又は複数の水中移動体に水中で電力を供給する水中電力供給システムであって、
   　水中移動体が稼動する水深と水面付近との間で水中を昇降する昇降ステーションと、
   　前記水面付近で前記昇降ステーションに電力を非接触給電する充電ステーションとを備え、
   　前記水深において水中移動体が昇降ステーションに接近し、昇降ステーションから水中移動体に電力を非接触給電する、水中電力供給システム。
2. 　前記水中移動体は、第１蓄電池と、第１受電コイルと、第１受電コイルから第１蓄電池に電力を供給する第１受電回路と、水中を移動する移動手段とを有し、
   　前記充電ステーションは、第１給電コイルと、外部電源に接続され非接触給電に適した電圧電流波形で第１給電コイルを駆動する第１給電回路とを有し、
   　前記昇降ステーションは、第２蓄電池と、第２受電コイルと、第２給電コイルと、第２受電コイルから第２蓄電池に電力を供給しかつ第２蓄電池に接続され非接触給電に適した電圧電流波形で第２給電コイルを駆動する受電給電回路と、水中を昇降する昇降手段とを有する、請求項１に記載の水中電力供給システム。
3. 　前記昇降ステーションは、前記第２給電コイルの位置を示す信号を出力する信号発信器を備え、
   　前記水中移動体は、前記信号を受信して前記移動手段を制御し、前記第１受電コイルを、前記第２給電コイルとの間で電磁気結合回路を形成するように予め設定された距離で、前記第２給電コイルに対し離間させる移動制御装置を備える、請求項２に記載の水中電力供給システム。
4. 　前記昇降手段は、水底に位置するアンカと、アンカと前記充電ステーションを連結し鉛直方向に延びる案内ケーブルと、前記昇降ステーションの本体を水中で昇降させる昇降装置とを有する、請求項２に記載の水中電力供給システム。
5. 　前記第１受電コイル、前記第２受電コイル及び前記第２給電コイルは、前記水中移動体が稼動する水深における水圧に耐える耐水性と耐圧力性を有し、かつ非接触給電に使われる電磁界を透過させる材質で構成した磁界透過部材の内側に設けられている、請求項２に記載の水中電力供給システム。

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